[发明专利]一种无位置传感器无刷直流电机的宽速滑模观测器

说明书

本发明公开了一种无位置传感器无刷直流电机的宽速滑模观测器。使用本发明能够扩大滑模观测器的速度适用范围，实现较宽速度范围内的估计，进而实现更宽范围的调速控制。本发明将无刷直流电机的参考输入速度分为低速、中速和高速三个速度区间，根据直流电机的参考输入速度的不同调整边界层厚度：在低速时增大边界层厚度，有效抑制抖振；在高速时减小边界层厚度，加快观测器响应速度，减小估计误差，从而在整体上提高了滑模观测器准确的观测范围和估计精度，进而获取更好的估计效果和实现更宽范围的调速控制。同时，采用正弦饱和函数作为滑模面函数，无需使用低通滤波器即可有效抑制抖振，且收敛速度快、估计精度高。

技术领域

本发明涉及机电控制技术领域，涉及无刷直流电机的无位置传感器控制系统，具体涉及一种无位置传感器无刷直流电机的宽速滑模观测器。

背景技术

无刷直流电机(Brushless DC Motor，BLDCM)无需电刷便可实现电机定子和转子之间的电气连接，融合了直流电机和交流电机各自的特点，具有控制方式简单、转矩特性高、动态响应快、调速性能良好和制造工艺简单的优势，特别适用于对空间大小有较高要求的场合。

为确保无刷直流电机的正常连续运转，需要通过位置传感器获取转子的位置信息以便进行换相。然而，位置传感器的使用容易受周围环境和条件影响且使用寿命有限，降低了控制系统的可靠性。同时，霍尔位置传感器的存在使得系统的空间占比无法进一步缩小，不利于其在一些空间资源不足的场合发挥作用，也加大了生产和维护的难度，提高了制造成本，限制了制造工艺的进一步提升。

为消除上述位置传感器带来的不利影响，进一步减小控制系统执行机构的成本和空间大小，可采用软硬件结合的技术避免位置传感装置的使用，通过软件算法来提供电机连续换相所需的位置信息，再据此估计出转子速度信息，并将其反馈给控制器实现闭环调速控制。特别是在一些极端环境下，位置检测装置无法正常稳定地工作，无位置传感器控制技术依旧能够确保系统具有良好稳定的控制性能。因此，世界各国各地越来越多的学者和科研人员积极参与到高效稳定且适用广泛的无位置传感器控制技术的研究中来。

通过文献(Position and Speed Control of Brushless DC Motors UsingSensorless Techniques and Application Trends[J].SENSORS,2010,10(7):6901-6947.)可知，目前较常用且相对精准的无位置传感器的转子位置检测方法分为基于反电势检测和基于模型两大类。

基于反电势的检测方法有反电势过零检测法、三次谐波电压积分法、续流二极管检测法和反电势积分法，这些方法都受到速度条件的限制，在低速时性能较差、误差较大且不适用于需要频繁调速系统，或存在无法消除换相误差，易引起误差积累和偏差的问题。

在基于模型的估计方法中，应用最广泛的是状态估计法，主要包括扩展卡尔曼滤波法(EKF)、人工神经网络法(ANN)、模型参考自适应法(MARS)和滑模观测器法(SMO)，适用的速度范围相对更加宽广，但难免存在缺点。扩展卡尔曼滤波具有复杂的算法和结构，限制了其在实际工程中的推广。人工神经网络为了系统参数辨识取得好的结果，常采用在线辨识方式，引入了耗时长和实时性较低的缺点。模型参考自适应法对参数过于敏感，如果参考模型选取不准可能导致系统发散，所以稳定性较差。区别于以上三种方法，很多学者提出了结构简单且便于实现的滑模观测器法，对内部参数和外界扰动有一定的鲁棒性，但鲁棒性依旧有待加强，同时由于滑模结构特点存在无法消除的固有抖振。此外，目前常用的滑模观测器大多只适用于特定速度范围，在速度过低或者过高的条件下存在估计误差较大的缺点。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种无位置传感器无刷直流电机的宽速滑模观测器，能够扩大滑模观测器的速度适用范围，实现较宽速度范围内的估计，进而实现更宽范围的调速控制。